基于VR 技術(shù)的船舶航行視景數(shù)字化三維建模

辜昕宇，曹 鋒，劉傳誼

(江西師范大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 332020)

0 引 言

目前，對船舶航行視景數(shù)字化的相關(guān)研究較少[1-2]。陳立家等[3]提出航海模擬器視景快速建模方法，利用傾斜攝影方式采集船舶視景圖像后，實際應(yīng)用過程中受船舶視景圖像傾斜角度、清晰度等因素影響，導(dǎo)致該方法建立的船舶視景模型逼真度不足。趙盼等[4]提出Creator 的視景建模方法，該方法以Creator 軟件為基礎(chǔ)，并結(jié)合TerraVista 軟件，建立船舶虛擬環(huán)境視景仿真模型。該方法在實際應(yīng)用過程中無法及時呈現(xiàn)船舶運動狀態(tài)，因此應(yīng)用效果不佳。

為了解決上述問題，本文提出基于VR 技術(shù)的船舶航行視景數(shù)字化三維建模方法。

1 船舶航行視景數(shù)字化三維建模

1.1 船舶航行視景數(shù)字化三維場景節(jié)點組織設(shè)計

船舶航行環(huán)境由水文、航道條件、港口設(shè)備等組成，對于船舶航行視景數(shù)字化三維場景來說，主要建模的對象包括視覺可見部分、水體、不同種類地標(biāo)物、船舶等，設(shè)計以上不同三維場景的節(jié)點組織，如表1 所示。

表1 船舶航行視景數(shù)字化三維場景節(jié)點組織Tab.1 Organization of digital 3D scene nodes for ship navigation scenery

通過節(jié)點組織的設(shè)計，確定了船舶航行視景數(shù)字化三維場景的組成部分，用于構(gòu)建船舶航行視景的數(shù)字化三維模型。

1.2 基于VR 技術(shù)的船舶航行視景模型構(gòu)建

1.2.1 水面與陸域物標(biāo)三維建模方法

利用VR 技術(shù)中的3D MAX 三維建模軟件建立水面與陸域物標(biāo)三維模型，將水面與陸域物標(biāo)的平面坐標(biāo)、尺度、材質(zhì)等參數(shù)輸入到3D MAX 三維建模軟件內(nèi)，生成水面與陸域物標(biāo)等高程數(shù)據(jù)和紋理特征[5]。

1）水面模型參數(shù)

平面坐標(biāo)：北緯30.123 456°，東經(jīng)120.654 321°。

尺度：1∶5 000。

材質(zhì)：使用透明材質(zhì)和反射屬性，以模擬真實的水面效果。

2）陸域物標(biāo)模型參數(shù)

平面坐標(biāo)：北緯30.123 789°，東經(jīng)120.654 987°。

尺度：1∶2 000。

材質(zhì)：使用磚墻紋理材質(zhì)。

對其進行貼圖處理后，得到水面與陸域物標(biāo)三維模型如圖1 所示。

圖1 地物標(biāo)三維模型Fig.1 3D model of landmark

建立船舶龍門吊、港口建筑物等三維模型，從該模型內(nèi)可清楚為用戶呈現(xiàn)地物位置，有效為用戶提供船舶航行視景地物信息。

1.2.2 基于Creator 的地形地貌三維建模

按照船舶航行視景仿真需求，使用VR 中Creator 軟件建立不同分辨率的三維地形，其構(gòu)建過程如下：

1）設(shè)置層次細(xì)節(jié)模型參數(shù)

采用規(guī)則網(wǎng)格建立地形模型，并將層次細(xì)節(jié)模型數(shù)量設(shè)置為3。

2）設(shè)置投影方式參數(shù)

Creator 軟件提供5 種投影方式，其中Trapezoidal是方位角映射，映射時地形地貌中心點位置最精準(zhǔn)，離中心點越遠，則地形地貌越扭曲[6]。

3）地形地貌建模

使用Delaunay 轉(zhuǎn)換算法生成地形地貌模型，該算法可采集海底每個地形的高程點，依據(jù)每個地形的高程點，可在Creator 軟件內(nèi)生成地形地貌模型

4）紋理映射處理

地形地貌模型生成完畢后，將海底地形紋理圖片導(dǎo)入到Creator 軟件內(nèi)，依據(jù)投影方式將紋理圖像投射到對應(yīng)的坐標(biāo)位置，完成地形地貌三維模型構(gòu)建，如圖2 所示。

圖2 地形地貌三維模型Fig.2 3D model of terrain and landform

1.2.3 船舶虛擬環(huán)境建模

船舶虛擬環(huán)境建模是船舶航行視景數(shù)字化三維建模的關(guān)鍵，使用VR 技術(shù)建立船舶虛擬環(huán)境模型，其詳細(xì)過程如下：

1）船舶初始三維模型生成

建立船舶三維模型是得到其航行視景數(shù)字化的基礎(chǔ)，將現(xiàn)實中的船舶在虛擬的三維數(shù)字空間重構(gòu)，是一個實物虛擬化的過程。在建立船舶三維模型時，需要將海量的船舶參數(shù)轉(zhuǎn)換成VR 可用的數(shù)據(jù)[7]，本文使用PDM 技術(shù)，將船舶參數(shù)從CAD 轉(zhuǎn)化成VR 后，生成船舶初始三維模型。

2）船舶網(wǎng)格模型重建

將初始的船舶三維模型空間分割為10 個正方體[8]，使用指示函數(shù)判斷每個正方體的定點是否位于船舶三維模型空間內(nèi)部，在正方體內(nèi)部生成1 000 個等值三角面，對等值三角面進行表面重采樣后，生成網(wǎng)格面，完成船舶網(wǎng)格模型重建。

3）紋理映射

令Qi表示船舶三維模型的三角面片，I為輸入的船舶實景圖像序列，利用能量函數(shù)來選擇船舶三維模型的最優(yōu)紋理，表達公式為：

當(dāng)式（1）數(shù)值最小時，其對應(yīng)的船舶實景圖像即為最優(yōu)紋理貼圖圖像。

4）船舶虛擬環(huán)境生成

將紋理貼圖后的船舶數(shù)字化三維模型導(dǎo)入到船舶虛擬展示畫面中，將船舶模型縮小至1∶50，使船舶數(shù)字化三維模型更加接近實際狀況，具體船舶虛擬環(huán)境模型如圖3 所示。

圖3 船舶數(shù)字化三維模型Fig.3 Digital 3D model of ships

建立船舶網(wǎng)格模型，并對該網(wǎng)格模型進行紋理貼圖后，得到船舶數(shù)字化三維模型。

1.2.4 船舶運動仿真模型建立

若要獲得船舶航行動態(tài)三維畫面，需要建立船舶空間運動平移方程、空間繞坐標(biāo)軸運動方程以及船舶三自由度運動非線性方程，利用以上方程得到船舶數(shù)字化三維動態(tài)數(shù)據(jù)。

令H表示船體的動量，P表示船舶重心速度，則船舶空間運動平移方程如下：

式中：m表示船舶的質(zhì)量；R′表示船舶重心坐標(biāo)位置向量；d表示積分，t表示自變量； ψ表示一定維度的常矩陣； δ表示船舶舵角。

令GΣ表示船舶空間運動回旋向量，其方程如下：

式中，J表示船舶對原點不在重心坐標(biāo)系的慣量矩陣。

當(dāng)船舶出現(xiàn)橫搖、首搖和橫蕩情況時，建立其三自由度非線性方程，表達式如下：

式中：Y、N、A分別表示船舶橫蕩外力矩、首搖外力矩和橫搖外力矩；下角標(biāo)I、H、L、D分別對應(yīng)流體慣性、粘性、舵和外力干擾。

通過式（2）～式（4）可獲得船舶在虛擬環(huán)境中運動數(shù)字化數(shù)值。

2 實驗分析

以某水上運輸港口作為實驗對象，該港口貨物吞吐量超過23 000 萬噸，屬于大型集裝箱運輸港口，港口有起重機械314 臺、門機128 臺、龍門吊24 臺。通過RIEGL 航空激光雷達收集該港口的高程數(shù)據(jù)，Canon數(shù)字相機收集船舶視景三維實拍圖像。使用ArcGIS 處理和分析地形數(shù)據(jù)。通過AutoCAD 進行船舶的三維建模，采用Blender 對船舶模型進行網(wǎng)格劃分、拓?fù)湔{(diào)整和表面細(xì)分等操作。使用Adobe Photoshop 進行紋理調(diào)整、修復(fù)和映射等操作。通過Unity3D 將地形模型、船舶網(wǎng)格模型和紋理貼圖等組合到一起，構(gòu)建船舶航行視景的數(shù)字化三維模型。使用本文方法建立該港口內(nèi)船舶的航行視景數(shù)字化三維模型，分析本文方法實際應(yīng)用效果。

為了驗證本文方法重建船舶網(wǎng)格模型能力，在船體流線上選擇10 個測試點，分析本文方法重建船舶網(wǎng)格前后該10 個測試點與實際船舶參數(shù)偏差數(shù)值，結(jié)果如表2 所示。

表2 重建船舶網(wǎng)格前后測試點參數(shù)偏差數(shù)值Tab.2 Parameter deviation value of test point before and after reconstruction of ship grid

分析可知，在船舶網(wǎng)格在重建之前，10 個測點偏差數(shù)值位于0.97～4.21 cm，而使用本文方法對船舶網(wǎng)格進行重建后，其最大偏差僅為0.05 cm，最小偏差為0。該結(jié)果說明本文方法對船舶網(wǎng)格進行重建后，可有效修復(fù)船舶三維模型的偏差，使建立的船舶三維模型更加精準(zhǔn)。

使用本文方法建立的船舶數(shù)字化三維模型模擬船舶右回旋，驗證本文方法對船舶航行視景數(shù)字化呈現(xiàn)效果，結(jié)果如圖4 所示。

分析可知，使用本文方法可有效呈現(xiàn)船舶右回旋時的運行軌跡，為用戶呈現(xiàn)船舶右回旋時不同方向上的航跡，為船舶航行提供數(shù)字化呈現(xiàn)方式，說明本文方法具備較為顯著的應(yīng)用效果。

3 結(jié) 語

本文提出基于VR 技術(shù)的船舶航行視景數(shù)字化三維建模方法，經(jīng)過實驗驗證得出以下結(jié)論：

1）使用本文方法重建船舶網(wǎng)格之后，測試點的偏差范圍明顯縮小，最大偏差僅為0.05 cm，最小偏差甚至為0。說明本文方法能夠有效修復(fù)船舶三維模型的偏差，提高船舶模型的準(zhǔn)確性和精度。

2）本文方法能夠呈現(xiàn)船舶航行視景數(shù)字化效果，為船舶航行提供了數(shù)字化的呈現(xiàn)方式，具有實際應(yīng)用價值。